Мир вокруг нас - "Этэрнус" - Страница 34

Рис. 119

Стабильные ядра углерода — показаны на рис. 120. В ядре углерода-12 — наполовину заполнены первые энергетические уровни, следующие за базовым, поэтому структура данного ядра — напоминает красивый кристалл, или некую завершённую структуру. (Об энергетических уровнях в ядре — мы ещё будем говорить, позже). Ядро углерода-12 примечательно также тем, что состоит из трёх связанных альфа-частиц, и видно, почему такая структура стабильна (боковые альфа-кластеры — уравновешивают друг друга), в то время как связанное состояние двух альфа-частиц (бериллий-8, в возбуждённом состоянии) — невыгодно, т. к. является неуравновешенным состоянием (см. рис. 117-а). (Основное же состояние бериллия-8 — это что угодно, только не две связанные альфа-частицы: из требования спина 0, для всех чётно-чётных ядер, а значит, их верхне-нижней симметрии, очевидно, что вторая альфа-частица в чётно-чётном изотопе (ядре), бериллии-8 — должна разделиться на два кластера дейтерия, которые расположатся, по одному, в верхней и нижней частях ядра, уравновешивая друг друга; это представляет маловыгодную структуру, но наиболее выгодную, для этого ядра, как уже рассматривалось ранее).

Рис. 120

Далее: В структуре ядра углерода-13, виден (выгодный) кластер бериллия-9, см. рис. 121. Однако основная причина стабильности этого ядра — объясняется невыгодностью b– распада, который вёл бы к аналогичному по строению, ядру, но в котором нейтрон заменён на протон — азоту-13, в то время как выгоден, как уже отмечалось, наоборот, избыток нейтронов над протонами (компенсирующий рост отталкивания протонов в ядре). Поэтому азот-13 претерпевает b+-распад до углерода-13, а последний оказывается стабильным ядром.

Рис. 121

У углерода также имеется почти стабильный нейтронизбыточный изотоп, углерод-14, с периодом полураспада 5,7×103 лет, показанный на рис. 122. Как видно, для него можно представить две конфигурации (одна из них — может являться возбуждённым состоянием ядра). В первой (наиболее вероятной) конфигурации на рис. 122, нахождение нейтронов на более высоком энергоуровне — выгодно, т. к. препятствует отдалению боковых альфа-частиц от базовой альфа-частицы, и приводит к выгодным кластерам бериллия-9, в структуре ядра. С другой стороны, отдаление боковых альфа-частиц (альфа-кластеров) — уменьшало бы связанность данных нейтронов с протонами базовой альфа-частицы; но как раз этого недостатка — лишена вторая конфигурация на рис. 122, где кроме того, нейтроны расположены на более низком энергетическом уровне.

Рис. 122

Стабильные изотопы азота — см. на рис. 123. Заметим, что азот-14 — один из четырёх стабильных изотопов во всей таблице Менделеева, имеющий нечётное число как протонов, так и нейтронов (нечётно-нечётное ядро). Азот-14 можно представить в качестве аналога ядра лития-6, но только с двумя вклиненными альфа-частицами (при этом, литий-6 — тоже имеет нечётное число и протонов, и нейтронов, и т. о. тоже является одним из нечётно-нечётных стабильных ядер). К последним — относятся, помимо лития-6 и азота-14 — ещё дейтерий и бор-10, которые — также схожи по структуре, и наглядно — различаются между собой и от лития-6/азота-14, одной/двумя/тремя вклиненными альфа-частицами (структуры этих ядер — уже рассматривались ранее).

Рис. 123

Так же как литий-6 и азот-14 схожи друг с другом по структуре, можно провести аналогию и между азотом-15 и литием-7 (различие — в добавленной паре взаимно уравновешенных альфа-кластеров). Но только в азоте-15, один из высокоэнергетичных нейтронов — должен иметь отрицательный спин (что рассматривалось ранее), поэтому общий спин азота-15 (1/2) и лития-7 (3/2) не совпадают.

У следующего элемента, кислорода — имеется уже целых три стабильных изотопа:

Первый из них, кислород-16 — примечателен тем, что по числу нуклонов и их соотношению (1 : 1) — соответствует четырём альфа-частицам. Однако с т. зр. наглядной геометрии, он, как и бериллий-8 — не может состоять из четырёх альфа-частиц (как кластеров). Поэтому кислород-16 обретает одну из структур, представленных на рис. 124.

Рис. 124

В наиболее вероятной (первой) конфигурации на рис. 124, ядро кислорода-16, как видно, в отличие от 8Be, имеет выгодные кластеры гелия-3 и трития, что вместе с упоминавшимся, оптимальным соотношением протонов и нейтронов в этом ядре, легко объясняет наблюдаемую стабильность (выгоду) этого ядра (изотопа). Если же отнять один нейтрон — то на месте выгодного кластера трития, образуется (невыгодный) кластер дейтерия, из чего можно увидеть (уточнить) также причину нестабильности предыдущего изотопа, кислорода-15 (который рассматривался ранее).

Следующий изотоп, кислород-17 — примечателен переконфигурацией, которую можно представить в виде ряда переходов нуклонов, вызванных добавлением нейтрона, см. рис. 125. В этом ядре, как видно, усиливается асимметричность, между ближней и дальней частью ядра (напоминающая, по сути, механизм водорода-6), при этом, нуклоны концентрируются преимущественно по одну (дальнюю) сторону ядра. Также можно видеть образование кластера бериллия-9 (верхняя ближняя альфа-частица — стабилизируется нижним нейтроном). Сама необходимость и выгодность значительной переконфигурации, при переходе к кислороду-17 — связана, в целом, с тем, что добавляемый нейтрон — должен связаться наиболее лучшим образом, сразу со всеми протонами в ядре (точнее, все нуклоны в ядре — располагаются по отношению друг к другу так, чтобы быть связанными наиболее эффективно друг с другом).

Рис. 125

Далее: Кислород-18 — см. на рис. 126. В этом ядре, число нейтронов превышает число протонов уже на два, но ядро остаётся стабильным (в отличие от изотопов с двумя дополнительными нейтронами, предыдущих элементов, углерода-14 и бериллия-10 (имеющих высокие времена жизни, но лишённых стабильности)). При этом, время полураспада бериллия 10 (1,51×106 лет) — оказывается выше, чем у углерода-14 (5,7×103 лет), несмотря на большее число протонов в последнем. Причина такого поведения времён жизни — легко объясняется из наглядной геометрии: связыванием двух нейтронов в выгодных кластерах трития в бериллии-10, и отсутствием связывания их в подобных кластерах (т. е. кластерах трития / гелия-3 / альфа-кластерах) в углероде-14.

Рис. 126

Далее: Фтор, предпоследний элемент второго ряда таблицы Менделеева — имеет всего один стабильный изотоп (что в общем, связано с нечётным числом протонов, которое заведомо предполагает несимметричность (некомпенсированность) смещения кварковой плотности нейтронов, и уменьшение энергии связи, по сравнению с ядрами элементов с чётным числом протонов).